光放大器

第六章光纤放大器 光放大器结构光放大器要求及存在问题光放大器种类半导体放大器掺铒光纤放大器光纤拉曼放大器 光放大器概述结构 光放大器主要结构及要求 要求 提供增益对光信号的比特率 调制方式 功率和波长不敏感存在问题增益问题整个光谱区内增益谱不一定平坦附加噪声光纤的色散和非线性效应无阻碍通过 光放大器种类半导体光放大器 激活介质 该介质的载流子反转到激发态 能使外输入光场产生受激辐射而获得相干增益 X光纤放大器光纤拉曼放大器 FRA 光纤布里渊放大器 FBA 掺铒光纤放大器 EDFA 掺稀土元素FRA和FBA利用光纤非线性效应 非线性散射实用 EDFA FRA 具体放大器半导体光放大器 SOA 实际使用少SOA是一个具有或不具有端面反射 消反射膜降低了面反射 的半导体激光器 电流使介质产生载流子数反转 将电子从价带转移到导带 从而产生自发辐射 当外光场出现时就可能发生受激发射 受激发射产生信号增益 SOA包括两种 FP腔体 FPA行波型 TWASOA优点 尺寸小 功率消耗低 便于光电集成SOA缺点 扦入损耗大 对偏振敏感 与光纤连接耦合损失功率大 掺铒光纤放大器 EDFA Erbium DopedFiberAmplifier EDFA是目前性能最完善 技术最成熟 应用最广泛的光纤放大器 主要特性 高增益 低噪声 对偏振不敏感 带宽35nm 40nm 中心波长1550nm 半导体泵浦源 为1 55um窗口的光通信带来了一场革命 工作原理铒 Er 是一种稀土元素 原子序数是68 光放大利用了镧子元素的4f能级 能级图 由于石英基质的作用 4f的每个能级分裂为一个能带 图中能带称为基态 能带称为亚稳态 亚稳态上粒子的平均寿命为10ms 能带称为泵浦态 粒子在泵浦态上的平均寿命为1us 980nm和1480nm大功率半导体激光器已完全商用化 泵浦效率高 用作泵浦源 基本原理 吸收了泵浦光的能量 由基态跃迁至已处于高能级的泵浦态 对于不同的泵浦波长电子跃迁至不同的能级 由于泵浦态上载流子的寿命时间只有1ns 电子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态 在亚稳态上载流子有较长的寿命 在源源不断的泵浦下 亚稳态上的粒子数积累 从而实现了粒子数反转分布 当有1 55um信号光通过已被激活的掺铒光纤时 在信号光的感应下 亚稳态上的粒子以受激辐射的方式辐跃迁到基态 每一次跃迁都产生一个与感应光子完全一样的光子 从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大 在放大过程中 亚稳态的粒子也会以自发的辐射方式跃迁到基态 自发辐射产生的光子会被放大 引入噪声 EDFA的组成核心部分 掺铒光纤光耦合器 耦合输入光 泵浦光光滤波器 滤除泵浦光泵浦光源 1480nm的多量子阱 M N 激光器980nm的多量子阱 M N 激光器 三种配置方式 同向泵浦 信号光与泵浦光同向反向泵浦 信号光与泵浦光反向双向泵浦 同向泵浦噪声小 输出功率比较大 反向泵浦噪声大 输出功率大 双向泵浦比较适中 EDFA的性能泵浦效应 能量从泵浦光转换成信号光的效率 85 95 增益频谱 增益曲线半极大值带宽 FWHM 大于10nm 掺适当的Al后 带宽会增大 增益频谱平坦 增益 30 40dB 影响因素 铒离子浓度 放大器长度 芯径 泵浦光功率 掺铒光纤长度 典型10m 20m增益系数 1mW泵浦功率对放大增益的贡献 单位 dB mW放大器自发辐射噪声 ASE 散粒 ASE信号频率 EDFA的主要优点放大窗口与1550匹配EDFA是一段光纤 与线路光纤耦合容易 耦合损耗小噪声系数低 4dB 7dB增益高 20dB 40dB 饱和输出功率大 8dBm 15dBm对信号透明泵浦功率低多个波长放大不存在串扰结构简单 可靠性高 体积小具有双向放大作用 EDFA的应用中继 在线放大EDFA作为发射机的功效 功率放大器 要求功率大 直接放在接收机前面 作为前置放大器 同向模式 要求功率低 噪声小 光纤拉曼放大器 FRA 组成工作原理石英光纤有很宽的受激拉曼散射 SRS 增益谱 基础 光纤拉曼放大器 基于非线性光学效应原理 利用强泵浦光束通过光学传输时产生受激拉曼散射 如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输 并且弱信号光得波长在泵浦光的拉曼增益带宽内 则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤石英材料的振荡模中 然后又以较长的波长发射 该波长就是信号光的波长 从而使弱信号得到放大 获得拉曼增益 特征 SRS入射泵浦光子效应放弃它的能量 产生一个光子 能量转移 特性 拉曼增益和带宽 设光信号的拉曼增益与有密切关系 13 2THz时 拉曼增益达到最大 此时对应的信号波长比泵浦光的波长要长60nm 100nm 带宽 100nm光信号的拉曼增益与泵浦光的功率有关 在一定范围内成正比噪声系数高光纤拉曼放大器的噪声系数比EDFA小增加拉曼增益 可以减少噪声指数 分布式拉曼放大器与常规EDFA混合使用 在一定的增益范围内 能有效的降低系统的噪声指数 增加传输跨距拉曼放大器对光纤通信系统传输的影响系统性能质量Q参数p 入射信号功率G 放大器增益N 光放大器数量Be 的电带宽Hv 常数F 放大器噪声系数 在拉曼放大器和EDFA的混合系统中EDFA DRA系统的F比EDFA小4dB得Q比只使用EDFA大2dB应用EDFA DRA的组合使用 扩大系统传输距离DRA是提升现有的光纤线路到40Gb s的关键器件 40Gb s 高速光信号